WO2009098403A2 - Cell for electrolysis of water with a solid electrolyte containing little or no noble metals - Google Patents

Cell for electrolysis of water with a solid electrolyte containing little or no noble metals Download PDF

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WO2009098403A2
WO2009098403A2 PCT/FR2008/001660 FR2008001660W WO2009098403A2 WO 2009098403 A2 WO2009098403 A2 WO 2009098403A2 FR 2008001660 W FR2008001660 W FR 2008001660W WO 2009098403 A2 WO2009098403 A2 WO 2009098403A2
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electrolysis
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Elodie Anxolabehere-Mallart
Ally Aukauloo
Yuwei Lu
Pierre Millet
Olivier Pantani
Alireza Ranjbari
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Universite Paris Sud
Cnrs Centre National De La Recherche Scientifique
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C25B9/23Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded

Definitions

  • the present invention relates to an electrochemical cell with solid polymer electrolyte, its manufacturing method and a stack of several of these cells. It applies more particularly, but not exclusively, to the electrolysis of water for the production of hydrogen and oxygen, in particular for the supply of gas to fuel cells.
  • solid polymer electrolyte cells comprise a thin ion exchange membrane (approximately 200 ⁇ m), and a metal electrode on each side, one serving as a cathode and the other anode.
  • These electrodes consist of a collector (also called a distributor) current covered or not on the surface of a catalytic layer placed in contact with the membrane. It may be, for example, porous titanium plates that allow the gases produced by the electrolysis reaction to escape.
  • the reactions that occur are the following: - at the anode: 2 H 2 O ⁇ 4 H + + 4 e- + O 2, - at the cathode: 4 H + + 4e " ⁇ 2 H 2
  • the electrodes are connected to a DC electric generator.
  • the anode and the cathode are supplied with pure water, that is to say in very highly demineralised water.
  • Oxygen evolution takes place at the anode while the protons produced by the decomposition of the water pass through the membrane towards the cathode where they are reduced to hydrogen.
  • Each proton carries with it a procession of solvating water molecules.
  • electro-osmotic flow The water is discharged through the porous titanium collector together with the gaseous hydrogen.
  • the membranes are generally made of perfluorosulphonated polymers, very chemically and electrochemically stable. These polymeric materials consist of a network of fixed anions and mobile or labile cations within this network.
  • the NAFION ® membranes developed by the company Dupont de Nemours are an example of a membrane commonly used in this type of application.
  • the anions are SO3 ions "and the cations can be of various kinds: Na +, K +, Li +
  • mobile species are protons H 1.".
  • the metal catalysts located between the membrane and the current collector are chosen, for a given reaction, according to several factors: their electrocatalytic power, which varies according to the metal and the available exchange surface,
  • the state of the art in the electrolysis of alkaline water consists of using inexpensive catalysts based on nickel. But in the case of electrochemical cells with solid polymer electrolyte (initially developed in to make fuel cells for space applications), only catalysts based on precious metals (Platinum, Iridium, Ruthenium, Gold, Rhodium or Palladium), or their oxides (such as IrO 2 , RuO 2 ), capable of withstanding the acidity of the polymer membranes, are used. They are therefore very expensive.
  • the choice of catalyst is different from the cathodic side and the anodic side:
  • the best known catalyst for the release of Hydrogen is Platinum.
  • the Platinum contents are of the order of 0.2 to 0.5 milligram of platinum per cm 2 of geometric electrode area;
  • the invention more particularly aims to reduce to a minimum the amount of precious metal used as a catalyst compared to the state of the art, or even to remove any precious metal, at least on an electrode, in order to lower the cost water electrolysis cells with solid polymer electrolyte.
  • the invention proposes in a cell for electrolyzing water comprising a cation exchange polymer membrane, two electrodes located respectively on either side of said membrane, a first catalyst for the reduction of protons in molecular hydrogen. placed between the membrane and the cathode, characterized in that at least one of the electrodes is at least covered with a film consisting of a high surface area support composed of elements having a micrometric or nanometric size, elements on each of which is adsorbed said catalyst.
  • high surface area support is intended to mean any support composed of elements having a micrometric size, which may consist of carbon black, or preferably of a nanometric size that may consist in a non-limiting manner of nanoobjects, nanostructures , nanotubes, nanoelements, etc.
  • the provisions according to the invention make it possible to reduce the charge (that is to say the quantity per unit area expressed in mg / cm 2) of "noble catalyst" of precious metal or noble metal type, while increasing catalytic surface.
  • the amount of noble catalyst will be considerably reduced compared with that which would be necessary in the case of a homogeneous catalyst layer.
  • is strictly greater than 0 and less than 0.2 mg / cm 2 at the anode against a charge found in the state of the art of the order of 0.5 mg / cm 2 of Pt at the cathode, and an Iridium filler of the order of 1 to 2 mg / cm 2 at the anode.
  • said first catalyst may comprise at least one compound belonging to at least one of the following families:
  • HPA heteropolyacids
  • the invention proposes in particular the use of compounds of the family of HPA on the surface of the cathode, as long as they are stable in aqueous media, to replace the platinum commonly used in the state of the art. Since many of them are soluble in water, the invention proposes a method (described later) allowing their use in the context of a the electrolysis of water with solid polymer electrolyte and the maintenance of their electrochemical properties over long periods.
  • the invention provides the use of a tungstosilicic acid (H 4 SiW 12 O 40 ) which is a simple, commercially available HPA which has a Keggin structure.
  • HPA of the same family PW 12 and PMo 12
  • more complex HPA type P 2 Wi 8 saturated and substituted structure of the Dawson type).
  • the invention also provides HPAs based on palladium or platinum or iridium. Although having a noble metal and therefore more expensive, they have the property of adsorbing very strongly in the form of monolayers on the surface of suitable supports which reduces the amount used.
  • the invention also proposes not to completely remove the Platinum but drastically reduce the amount used by using it in the form of nanoparticles adsorbed on the high surface area support.
  • HPA is a compound which results from the condensation of oxometallates around a heteromate and whose general formula is X x M 1n O y 11 " where X is the heteroelement (for example P, As, Si) and M is the metal (for example W, Mo, V)
  • X is the heteroelement (for example P, As, Si)
  • M is the metal (for example W, Mo, V)
  • the HPA can be arranged mainly according to two types of structures:
  • HPA's are very stable acids. They have a high molecular weight, a high solubility in water and in organic solvents, and a large capacity of storage and transfer of electrons and protons without change of structure. They can stably modify the surface of the electrodes by simple adsorption.
  • the patent application FR 2 573 779 describes electrodes activated using HP A, their preparation and their application, especially as a cathode for the electrolysis of water in acidic medium.
  • the objective pursued is the same, but it is clear from this document that the intended application for these electrodes is that of electrolysis in a liquid medium (page 5 paragraph 8) and not that of the electrolysis of water to solid polymer electrolyte.
  • the procedure used to adsorb the HPA on the surface of the working electrode (low potential cathodic polarization), is different from that of the invention.
  • a solid electrolyte there is the problem of the stabilization of the HPA in the vicinity of the current collectors.
  • the electro-osmotic flow causes a leaching of the cathode and even if the HPA are strongly adsorbed on the surface of the collectors, in the long run, they dissolve and the efficiency of the cell is degraded.
  • the invention overcomes this problem through a manufacturing method described below.
  • the invention also relates to the use of HPA adsorbed on the surface of non-noble metal nanoparticles such as titanium.
  • the invention provides other compounds free of noble metals that catalyze the reduction of protons to hydrogen.
  • said catalyst used for the reduction of hydrogen protons may be a compound belonging to the family of stable metal oximes in an aqueous medium.
  • said family of metal oximes comprises the clathrochelate complexes of formula I:
  • said clathrochelate complex comprising: - a metal center M of the first series of transition elements of the periodic table of elements
  • each of said glyoximate ligands being substituted with a radical R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , or R 6 , each radical R 1 , R 2 , R 3 , R 4; , R 5 , or R 6 being independently an alkyl or phenyl group, substituted or unsubstituted.
  • radical X being a halogenide such as in particular fluorine, or an alkyl, phenyl or phenyl group functionalized with a radical Y, Y being a radical chosen from the group consisting of NO2,
  • said metal center M consists of a transition metal such as: Co, Fe or Ni.
  • said atom A belonging to the elements of group 13 consists of B or Al, or elements of the same chemical family or similar properties ...
  • the invention relates to the use of stable metal oximes in an aqueous medium, said aqueous stable oximes in an aqueous medium being preferentially:
  • HPAs comprising precious metals, which make it possible to reduce the quantity of precious metal used, such as:
  • a HPA based on platinum e.g. shorthand ⁇ 2 - K 8 PtP 2 W 17 O 61 • A HPA based on palladium, e.g. abbreviated formula O 2 -K 8 PoP 2 W 17 O 6 I ,
  • An iridium-based HPA for example of the abbreviated formula ⁇ 2-K8IrP2W17O61.
  • the invention also proposes to use:
  • aqueous stable Ruthenium-based molecular compounds such as: cis, cis - [(bpy) 2 (H 2 O) Ru m ORu m (OH 2 ) (bpy) 2 ] 4+ cis, cis - [( phen) 2 (H 2 O) Ru ⁇ i ORu m (OH 2 ) (phen) 2 ] 4+ • Manganese-based molecular compounds such as: tMn 2 O 2 (bipy) 4] (ClO 4 ) 3 [Mn 2 O 2 (phen) 4 ] (ClO 4 ) 3
  • the invention also proposes using nanoparticles of Iridium and / or Ruthenium or their oxides, which also make it possible to reduce the quantity of precious metal used.
  • the anodes and cathodes can be obtained:
  • the invention proposes as support material a carbon powder, such as Vulcan XC72 from Cabot Co (surface area 250 m 2 / g) or a carbon nanotube powder.
  • the invention proposes as a material a support with a large specific surface area of the nanoparticles of titanium oxide below stoichiometric of general formula TiO 2 . x .
  • titanium oxide is a semiconductor, the fact of partially reducing it, for example by hydrogen, makes it an electronic conductor. Moreover, it can be obtained in the form of a nanometric powder and is relatively cheap.
  • the invention proposes, for example, adsorbing iridium or ruthenium nanoparticles (or their oxides) on TiO 2 . x .
  • the invention also proposes a method for manufacturing a solid electrolyte electrochemical cell comprising a polymer membrane, an anode and a cathode and at least one catalyst between the membrane and the cathode.
  • the current collectors for example porous titanium, are previously stripped of their surface oxides, degreased and dried.
  • the catalyst is then solubilized in a solvent, for example isopropanol.
  • the mixture is sprayed by means of an air-blast sprayer on an electrode face maintained at a temperature of about 100 ° C. in order to evaporation of the solvent and to prevent the catalyst from settling inside the porous titanium collector.
  • a polymer film for example of Nafion, is then sprayed by the same method on the face of the electrode which has received the catalyst and the electrode is dried at a temperature of about 100 ° C. in order to cause evaporation. solvent. It is important that the thickness of the polymer film is not too great to obtain a good electrochemical response. To control the thickness of the film, the commercial solutions should be diluted in a solvent such as isopropanol by a factor of 10 to 1000. The films giving the best results have a thickness of about 100 microns.
  • the electrode thus obtained is then placed in an electrochemical cell with three electrodes for activation. It can be activated by cyclic voltammetry between 0 and -750 mV / ECS, under evolution of hydrogen in an acid solution of concentration 10 -2 M to 1 M, with a scanning speed of about 5 mV / s. a few hours, the activity is maximum.
  • the cathode is then pressed against a perfluorosulfonated polymer membrane, for example Nafion or Hyflon, in a suitable Titanium support.
  • Hot water is circulated in the cell, approximately 95 ° C., for one hour.
  • a low current less than 100 mA / cm 2 , is then passed for about 2 hours.
  • the preparation is terminated by subjecting the cell to a constant voltage of about 2 volts for about 12 hours.
  • the electrode is secured to the membrane by interleaving the polymer chains of the film in the membrane. Good adhesion produces the best performance in electrolysis.
  • the process described above is applicable for both the cathode and the anode.
  • the invention proposes that said support having a large specific surface area consists in particular of carbon powder for the cathode or TiO 2-x for the anode, said high surface area support being dispersed in a catalyst solution (in proportions 1-1% by volume) using an ultrasonic tank to ensure good dispersion, to spray the preparation on the current collector, and then to deposit a protective polymer film.
  • the invention proposes to spray on the current collector, in a single step, a mixture of substrate + catalyst + polymer solution.
  • HPAs also exhibit activity against the oxidation of hydrogen to protons. They can therefore be used in the anodes of solid electrolyte fuel cells.
  • the platinum nanoparticles dispersed on the high surface area support such as carbon have a high activity with respect to the reduction of oxygen in water.
  • the innovative electrochemical cell described above can therefore be used in fuel cell operation, provided that the current collectors (made of porous titanium) are replaced by hydrophobic gas diffusion electrodes, such as those used in the state. art.
  • the innovative cell can operate in electrolyser mode and in fuel cell mode, it can also be used to operate in reversible mode, that is to say sometimes in electrolyser mode, sometimes in fuel cell mode.
  • the performance of such reversible systems is optimal when the catalysts are specialized by type of redox process rather than by type of gas.
  • a compartment is used for reduction processes (reduction of hydrogen protons in electrolyser mode and reduction of oxygen in fuel cell mode), and another to oxidation processes (oxidation of water to oxygen in electrolyser mode and oxidation of hydrogen to protons in fuel cell mode). In this case, it is necessary to use catalyst combinations on each of the two electrodes.
  • a membrane of Nafion ® (Pont de Nemours) 140mm thick is placed in an aqueous solution (400 mL, distilled water) HNO3 (10% W) and then heated at 100 0 C for 30 min (including rise in T 0 C). It is then rinsed in hot distilled water (400 mL, 10 min) and then at ambient temperature baths. The rinse ends with multiple quick washings with water.
  • the anode and cathode consist of porous Ti disks with the following characteristics: 7cm in area, 3cm in diameter, 0.85mm in thickness, and a porosity of 25-28%.
  • the experimenter shall take care to avoid any contact of the faces with a potentially contaminating source, (and in particular to avoid contact with the fingers, the heating plate or the balance, to use clean machine paper as a support and to always grasp an electrode with pliers on the edge).
  • Catalysts the anodic catalyst used is Iridium; the cathode catalyst is a colbalt-oxime complex.
  • the reference cathode catalyst is platinum adsorbed on activated carbon (Pt / c).
  • Nafion solution 6.5% Nafion ® (DuPont de Nemours) in isopropanol (iPrOH).
  • catalyst load expressed in mg / cm 2 the final load is 2.5 mg / cm 2 of catalyst knowing that Nafion ® must constitute 5% by weight of the catalytic layer.
  • Vaporization of the catalyst The catalyst is deposited on the surface of the electrode by vaporization under pressure using a compressed air gun.
  • the weighing of the bare Ti discs is carried out by heating a plate at 100 ° C. on which the Ti discs are deposited in order to evaporate any residual solvent (water in particular). When the weighing remains constant during several successive weighings, the mass of the discs is noted.
  • the necessary 6.5% Nafion solution is pre-weighed. In the case of the reference cathode electrode the weighing is 28 to 43 mg [i.e. 2 ⁇ u3xl7.5 / 1.235]. The amount of 6.5% Nafion solution thus obtained is diluted in a little isopropanol. • The corresponding amount of catalyst is then weighed by observing certain precautions, in particular for platinum adsorbed on activated charcoal (Pt / c), it is necessary just after the weighing to pour a few drops of water to the powder to avoid that it does not react to the addition of iPrOH. "The National solution is poured into the pillbox of the catalyst, then TiPrOH is added if necessary. The catalyst + Nafion mixture thus obtained is subjected to ultrasound (here ultrasonic probe) to disperse until a homogeneous suspension.
  • ultrasound here ultrasonic probe
  • the contents of the pill pillar are poured into another receptacle so that no solid deposit remains at the bottom or very little. Placing the catalytic layer on the electrode
  • the disks are placed again on the heating plate at 100 ° C.
  • the maintenance of the disks at this temperature allows the quasi-immediate evaporation of the solvent when the solution is vaporized on the electrode (this in order to strongly limit the penetration within the porous Ti).
  • FIG. 1 is a diagrammatic sectional view of a membrane hydrolysis cell
  • Figures 2 and 3 show Voltage x current density curves obtained with different catalysts.
  • Figure 1 there is a polymer membrane 1, for example Nation or Hyflon, a cathode 2 and anode 3 applied against the membrane I 5 porous metal to allow the release of gases H2 and 02, for example porous titanium.
  • the cell is powered by a DC source 4.
  • the cell is supplied with purified water at the cathode 2 and the anode 3.
  • first catalyst 5b (respectively second catalyst 5a).
  • first catalyst 5b (respectively second catalyst 5a).
  • second catalyst 5a These catalysts may have been deposited directly on the cathode or on the anode, but they have preferably been adsorbed beforehand on a material with a large specific surface area, such as tin nanoparticles on the anode side.
  • the first catalyst 5b consists of platinum particles and the second catalyst 5a of Iridium particles.
  • Figure 2 illustrates the catalytic effect of Platinum at the cathode and Iridium at the anode.
  • the laws of thermodynamics indicate that the minimum voltage to be applied to a water electrolysis cell operating at 25 ° C is 1.23 V, regardless of the current density. Because of the resistances induced in particular by the membrane and the electrodes, on the one hand the voltage to be applied for the start of the reaction is slightly higher (1.4 V minimum), on the other hand it is necessary to increase the voltage applied if we want to increase the current density. Nevertheless the cell will be all the more efficient that will obtain a higher current density for a given voltage.
  • the curves of FIG. 2 are obtained with a Nafion membrane 115 and titanium electrodes and with the following catalysts: curve 1: deposit of carbon at the cathode and deposition of Iridium at the anode (the carbon shows a slight catalyst effect),
  • curve 2 cobalt-oxime Co (dpgBF 2 ) 2+ adsorbed on carbon at the cathode and Iridium at the anode
  • curve 3 particles of platinum at the cathode and iridium at the anode.
  • Curve 1 is obtained without catalyst at the cathode but with Iridium at the anode. It can be seen that the current density increases very slowly with the voltage applied to the cell.
  • Curve 3 illustrates the state of the art with precious metal catalysts at the cathode and at the anode.
  • Curve 2 illustrates the catalyst effect of a cobalt oxime in a PEM membrane electrolysis cell.
  • a current density of 250 mA / cm 2 requires a voltage of about 2.1 V without catalyst (curve 1), 1.65 V with an HPA catalyst (curve 2) and 1.56 V with platinum catalysts and Iridium.
  • Such high current densities are not obtained with a cobalt oxime catalyst but its cost is much lower than the Platinum it replaces.
  • FIG. 3 illustrates the performances obtained with various catalysts and a Nafion 117. membrane.
  • Curve 1 is the result of the state of the art: catalyst platinum at the cathode and iridium at the anode.
  • Curve 3 is a result obtained with Platinum at both electrodes: Platinum is a less good anodic catalyst than Iridium.
  • Curve 2 illustrates the catalytic effect of HPA: at the same temperature of 80 ° C., the results are intermediate between those of curves 1 and 3. It should be noted that these results were obtained without support material with a high specific surface area. such as carbon black at the cathode, so it's about minimum performance.
  • Curves 4 and 5 illustrate the effect of temperature: the cell's performance drops with the temperature falls from 74 to 50 ° C. The results obtained with the different HPA are very close.

Abstract

The invention relates to a cell for the electrolysis of water comprising an essentially flat cation-exchange polymer membrane (1), two electrodes (2, 3) situated respectively to either side of the membrane (1), a catalyst place between the membrane (1) and one of the electrodes (2), characterised in that at least one of said electrodes is at least covered by a film made up of large specific surface area support comprising elements of a micrometre or nanometre scale, which in particular can be nanoobjects, nanostructures, nanotubes, nanoelements, said catalyst being adsorbed on each of said elements.

Description

CELLULE POUR ELECTROLYSE DE LΕAU AVEC ELECTROLYTE SOLIDE CONTENANT PEU OU PAS DE METAUX NOBLES CELL FOR ELECTROLYSIS OF WATER WITH SOLID ELECTROLYTE CONTAINING LITTLE METALS
La présente invention concerne une cellule électrochimique à électrolyte polymère solide, son procédé de fabrication et un empilement de plusieurs de ces cellules. Elle s'applique plus particulièrement, mais non exclusivement à l'électrolyse de l'eau pour la production d'hydrogène et d'oxygène, notamment pour l'alimentation en gaz de piles à combustible.The present invention relates to an electrochemical cell with solid polymer electrolyte, its manufacturing method and a stack of several of these cells. It applies more particularly, but not exclusively, to the electrolysis of water for the production of hydrogen and oxygen, in particular for the supply of gas to fuel cells.
D'une façon générale, les cellules à électrolyte polymère solide comprennent une membrane échangeuse d'ions de faible épaisseur (200 μm environ), et une électrode métallique de chaque côté, l'une servant de cathode et l'autre d'anode. Ces électrodes sont constituées d'un collecteur (également appelé distributeur) de courant recouvert ou non en surface d'une couche catalytique placée au contact de la membrane. Il peut s'agir par exemple de plaques poreuses en titane qui laissent s'échapper les gaz produits par la réaction d'électrolyse. Les réactions qui se produisent sont les suivantes : - à l'anode : 2 H2O → 4 H+ + 4 e- + O2, - à la cathode : 4 H+ + 4e" → 2 H2 In general, solid polymer electrolyte cells comprise a thin ion exchange membrane (approximately 200 μm), and a metal electrode on each side, one serving as a cathode and the other anode. These electrodes consist of a collector (also called a distributor) current covered or not on the surface of a catalytic layer placed in contact with the membrane. It may be, for example, porous titanium plates that allow the gases produced by the electrolysis reaction to escape. The reactions that occur are the following: - at the anode: 2 H 2 O → 4 H + + 4 e- + O 2, - at the cathode: 4 H + + 4e " → 2 H 2
En électrolyse de l'eau, les électrodes sont reliées à un générateur électrique de courant continu. L'anode et la cathode sont alimentées en eau pure, c'est-à- dire en eau très fortement déminéralisée. Un dégagement d'oxygène a lieu à l'anode alors que les protons produits par la décomposition de l'eau traversent la membrane en direction de la cathode où ils sont réduits en hydrogène. Chaque proton entraîne avec lui un cortège de molécules d'eau de solvatation. Pendant l'électrolyse, il y a donc circulation permanente de protons à l'intérieur de la membrane, et transport d'eau de l'anode vers la cathode. Ce flux d'eau est appelé flux électro-osmotique. L'eau est évacuée à travers le collecteur en titane poreux en même temps que l'hydrogène gazeux.In electrolysis of water, the electrodes are connected to a DC electric generator. The anode and the cathode are supplied with pure water, that is to say in very highly demineralised water. Oxygen evolution takes place at the anode while the protons produced by the decomposition of the water pass through the membrane towards the cathode where they are reduced to hydrogen. Each proton carries with it a procession of solvating water molecules. During the electrolysis, there is thus permanent circulation of protons inside the membrane, and water transport from the anode to the cathode. This flow of water is called electro-osmotic flow. The water is discharged through the porous titanium collector together with the gaseous hydrogen.
Dans l'état de l'art, les membranes sont généralement constituées de polymères perfluorosulfonés, très stables chimiquement et électrochimiquement. Ces matériaux polymères sont constitués d'un réseau d'anions fixes et de cations mobiles ou labiles à l'intérieur de ce réseau. Les membranes NAFION ® développées par la société Dupont de Nemours sont un exemple de membrane couramment utilisée dans ce type d'application. Les anions sont des ions SO3" et les cations peuvent être de natures diverses : Na+, K+, Li+. Pour les applications en électrolyse de l'eau, les espèces mobiles sont les protons H1".In the state of the art, the membranes are generally made of perfluorosulphonated polymers, very chemically and electrochemically stable. These polymeric materials consist of a network of fixed anions and mobile or labile cations within this network. The NAFION ® membranes developed by the company Dupont de Nemours are an example of a membrane commonly used in this type of application. The anions are SO3 ions "and the cations can be of various kinds: Na +, K +, Li + For applications in electrolysis of water, mobile species are protons H 1.".
Afin d'augmenter le rendement énergétique de ces cellules, les catalyseurs métalliques localisés entre la membrane et le collecteur de courant sont choisis, pour une réaction donnée, selon plusieurs facteurs : - leur pouvoir électro-catalytique, qui varie en fonction du métal et de la surface d'échange disponible,In order to increase the energy efficiency of these cells, the metal catalysts located between the membrane and the current collector are chosen, for a given reaction, according to several factors: their electrocatalytic power, which varies according to the metal and the available exchange surface,
- leur stabilité chimique vis-à-vis de Pélectroryte acide et de la réaction, notamment du côté anodique (production d'oxygène),their chemical stability with respect to the acidic acid and the reaction, in particular the anodic side (production of oxygen),
- leur stabilité électrochimique en fonction du potentiel d'électrode, - leur conductivité électronique, qui varie aussi selon la porosité de la couche catalytique,their electrochemical stability as a function of the electrode potential, their electronic conductivity, which also varies according to the porosity of the catalytic layer,
- leur coût.- their cost.
L'état de l'art en matière d'électrolyse de l'eau alcaline consiste à utiliser des catalyseurs peu onéreux à base de nickel. Mais en matière de cellules électrochimiques à électrolyte polymère solide (initialement développées en vue de réaliser des piles à combustible pour des applications spatiales), seuls des catalyseurs à base de métaux précieux (le Platine, l'Iridium, le Ruthénium, l'Or, le Rhodium ou le Palladium), ou de leurs oxydes (tels IrO2, RuO2), capables de résister à l'acidité des membranes polymères, sont utilisés. Elles sont donc très onéreuses.The state of the art in the electrolysis of alkaline water consists of using inexpensive catalysts based on nickel. But in the case of electrochemical cells with solid polymer electrolyte (initially developed in to make fuel cells for space applications), only catalysts based on precious metals (Platinum, Iridium, Ruthenium, Gold, Rhodium or Palladium), or their oxides (such as IrO 2 , RuO 2 ), capable of withstanding the acidity of the polymer membranes, are used. They are therefore very expensive.
Le choix du catalyseur se pose de manière différente du côté cathodique et du côté anodique :The choice of catalyst is different from the cathodic side and the anodic side:
- Le meilleur catalyseur connu pour le dégagement de l'Hydrogène est le Platine. Les teneurs en Platine sont de l'ordre de 0,2 à 0,5 milligramme de platine par cm2 d'aire géométrique d'électrode ;- The best known catalyst for the release of Hydrogen is Platinum. The Platinum contents are of the order of 0.2 to 0.5 milligram of platinum per cm 2 of geometric electrode area;
- du côté anodique (dégagement de O2), on utilise habituellement comme catalyseur de l'Iridium, déposé directement sur la membrane et/ou sur l'électrode.- On the anode side (release of O 2 ), is usually used as the catalyst of Iridium, deposited directly on the membrane and / or on the electrode.
L'invention a plus particulièrement pour objectif de réduire au strict minimum la quantité de métal précieux utilisé comme catalyseur par rapport à l'état de l'art, voire de supprimer tout métal précieux, au moins sur une électrode, afin de baisser le coût des cellules d'électrolyse de l'eau à électrolyte polymère solide.The invention more particularly aims to reduce to a minimum the amount of precious metal used as a catalyst compared to the state of the art, or even to remove any precious metal, at least on an electrode, in order to lower the cost water electrolysis cells with solid polymer electrolyte.
A cet effet, l'invention propose en une cellule pour Pélectroryse de l'eau comportant une membrane polymère échangeuse de cations, deux électrodes situées respectivement de part et d'autre de ladite membrane, un premier catalyseur de la réduction des protons en hydrogène moléculaire placé entre la membrane et la cathode, caractérisée en ce que au moins une des électrodes est au moins recouverte d'une pellicule constituée d'un support à grande surface spécifique composé d'éléments présentant une taille micrométrique ou nanométrique, éléments sur chacun desquels est adsorbé ledit catalyseur. On entend par « support à grande surface spécifique » tout support composés d'éléments présentant une taille de micrométrique, pouvant consister en du noir de carbone, ou préférentiellement d'une taille nanométrique pouvant consister d'une façon non limitative en des nanoobjets, nanostructures, nanotubes, nanoéléments, etc..For this purpose, the invention proposes in a cell for electrolyzing water comprising a cation exchange polymer membrane, two electrodes located respectively on either side of said membrane, a first catalyst for the reduction of protons in molecular hydrogen. placed between the membrane and the cathode, characterized in that at least one of the electrodes is at least covered with a film consisting of a high surface area support composed of elements having a micrometric or nanometric size, elements on each of which is adsorbed said catalyst. The term "high surface area support" is intended to mean any support composed of elements having a micrometric size, which may consist of carbon black, or preferably of a nanometric size that may consist in a non-limiting manner of nanoobjects, nanostructures , nanotubes, nanoelements, etc.
Les dispositions selon l'invention permettent de réduire la charge (c'est-à-dire la quantité par unité de surface exprimé en mg/cm2) de « catalyseur noble » de type métal précieux ou métal noble, tout en augmentant surface catalytique. Ainsi, à surface d'échange égale la quantité de catalyseur noble sera considérablement réduite par rapport à celle qui serait nécessaire dans les cas d'une couche homogène de catalyseur.The provisions according to the invention make it possible to reduce the charge (that is to say the quantity per unit area expressed in mg / cm 2) of "noble catalyst" of precious metal or noble metal type, while increasing catalytic surface. Thus, with an equal exchange surface, the amount of noble catalyst will be considerably reduced compared with that which would be necessary in the case of a homogeneous catalyst layer.
A titre d'exemple, la charge en catalyseur noble requise au cours de la mise en oeuvre de l'inventionBy way of example, the noble catalyst charge required during the implementation of the invention
• est comprise entre 0 et 0,01 mg/cm2 à la cathode, et• is between 0 and 0.01 mg / cm 2 at the cathode, and
• est strictement supérieur à 0 et inférieure à 0,2 mg/cm2 à l'anode contre une charge retrouvée dans l'état de l'art de l'ordre de 0,5 mg/cm2 de Pt à la cathode, et une charge en Iridium de l'ordre de 1 à 2 mg/cm2 à l'anode.• is strictly greater than 0 and less than 0.2 mg / cm 2 at the anode against a charge found in the state of the art of the order of 0.5 mg / cm 2 of Pt at the cathode, and an Iridium filler of the order of 1 to 2 mg / cm 2 at the anode.
Avantageusement, ledit premier catalyseur pourra comprendre au moins un composé appartenant à au moins l'une des familles suivantes :Advantageously, said first catalyst may comprise at least one compound belonging to at least one of the following families:
• Famille des hétéropolyacides (HPA) stables en milieu aqueux,• Family of heteropolyacids (HPA) stable in aqueous medium,
• Famille des oximes métalliques stables en milieu aqueux, • Des nanoparticules de Platine.• Family of stable metal oximes in aqueous medium, • Platinum nanoparticles.
L'invention propose notamment l'utilisation de composés de la famille des HPA à la surface de la cathode, pour autant qu'ils soient stables en milieux aqueux, pour remplacer le Platine couramment utilisé dans l'état de l'art. Comme beaucoup d'entre eux sont solubles dans l'eau, l'invention propose une méthode (décrite plus loin) permettant leur utilisation dans le cadre d'une l'électrolyse de l'eau à électrolyte polymère solide et le maintien de leurs propriétés électrochimiques sur de longues durées. Par exemple, l'invention propose l'utilisation d'un acide tungstosilicique (H4SiW12O40) qui est un HPA simple, disponible commercialement et qui possède une structure de Keggin. L'invention propose également des HPA de la même famille (PW12 et PMo12) et des HPA plus complexes du type P2Wi8 (structure saturée et substituée de type Dawson).The invention proposes in particular the use of compounds of the family of HPA on the surface of the cathode, as long as they are stable in aqueous media, to replace the platinum commonly used in the state of the art. Since many of them are soluble in water, the invention proposes a method (described later) allowing their use in the context of a the electrolysis of water with solid polymer electrolyte and the maintenance of their electrochemical properties over long periods. For example, the invention provides the use of a tungstosilicic acid (H 4 SiW 12 O 40 ) which is a simple, commercially available HPA which has a Keggin structure. The invention also proposes HPA of the same family (PW 12 and PMo 12 ) and more complex HPA type P 2 Wi 8 (saturated and substituted structure of the Dawson type).
L'invention propose également des HPA à base de Palladium ou de Platine ou d'Iridium. Bien que comportant un métal noble donc plus onéreux, ils présentent la propriété de s'adsorber très fortement sous forme de monocouches à la surface de supports adéquats ce qui permet de réduire la quantité utilisée.The invention also provides HPAs based on palladium or platinum or iridium. Although having a noble metal and therefore more expensive, they have the property of adsorbing very strongly in the form of monolayers on the surface of suitable supports which reduces the amount used.
Alternativement, l'invention propose également non pas de supprimer totalement le Platine mais de réduire drastiquement la quantité utilisée en l'utilisant sous la forme de nanoparticules adsorbées sur le support à grande surface spécifique.Alternatively, the invention also proposes not to completely remove the Platinum but drastically reduce the amount used by using it in the form of nanoparticles adsorbed on the high surface area support.
Différents catalyseurs exempts de métaux nobles peuvent être utilisés pour remplacer le platine sur les cathodes. Par exemple, certains hétéropolyanion (HPA) sont connus pour catalyser la réaction de dégagement d'hydrogène en milieu acide. Un HPA est un composé qui résulte de la condensation d'oxométallates autour d'un hétéoatome et dont la formule générale est XxM1nOy 11" où X est l'hétéro-élément (par exemple P, As, Si) et M est le métal (par exemple W, Mo, V). Les HPA peuvent s'agencer principalement suivant deux types de structures :Different noble metal free catalysts can be used to replace platinum on the cathodes. For example, some heteropolyanion (HPA) are known to catalyze the hydrogen evolution reaction in acidic medium. HPA is a compound which results from the condensation of oxometallates around a heteromate and whose general formula is X x M 1n O y 11 " where X is the heteroelement (for example P, As, Si) and M is the metal (for example W, Mo, V) The HPA can be arranged mainly according to two types of structures:
• x = l et m = 12 correspondent à une structure dite de KEGGIN (par exemple SiWi2O40 3")* • x = 2 et m = 18 correspondent à une structure dite de DAWSON (par exemple PzWi8O62 6"). Les HPA sont des acides très stables. Ils ont un poids moléculaire élevé, une grande solubilité dans l'eau et dans les solvants organiques, et une grande capacité de stockage et de transfert d'électrons et de protons sans changement de structure. Ils peuvent modifier de façon stable la surface des électrodes par simple adsorption.X = 1 and m = 12 correspond to a so-called KEGGIN structure (for example SiWi 2 O 40 3 " ) * • x = 2 and m = 18 correspond to a so-called DAWSON structure (for example PzWi 8 O 62 6" ). HPA's are very stable acids. They have a high molecular weight, a high solubility in water and in organic solvents, and a large capacity of storage and transfer of electrons and protons without change of structure. They can stably modify the surface of the electrodes by simple adsorption.
La demande de brevet FR 2 573 779 décrit des électrodes activées à l'aide d'HP A, leur préparation et leur application, notamment comme cathode pour l'électrolyse de l'eau en milieu acide. L'objectif poursuivi est le même, mais il ressort clairement de ce document que l'application visée pour ces électrodes est celle de l'électrolyse en milieu liquide (page 5 paragraphe 8) et non celle de l'électrolyse de l'eau à électrolyte polymère solide. De plus, la procédure utilisée pour adsorber les HPA à la surface de l'électrode de travail (polarisation cathodique à bas potentiel), est différente de celle de l'invention. Dans le cas d'un électrolyte solide, il se pose le problème de la stabilisation des HPA au voisinage des collecteurs de courant. En effet, le flux électro- osmotique provoque un lessivage de la cathode et même si les HPA sont fortement adsorbés à la surface des collecteurs, à la longue, ils se dissolvent et le rendement de la cellule se dégrade. L'invention surmonte ce problème grâce à un procédé de fabrication décrit plus bas.The patent application FR 2 573 779 describes electrodes activated using HP A, their preparation and their application, especially as a cathode for the electrolysis of water in acidic medium. The objective pursued is the same, but it is clear from this document that the intended application for these electrodes is that of electrolysis in a liquid medium (page 5 paragraph 8) and not that of the electrolysis of water to solid polymer electrolyte. In addition, the procedure used to adsorb the HPA on the surface of the working electrode (low potential cathodic polarization), is different from that of the invention. In the case of a solid electrolyte, there is the problem of the stabilization of the HPA in the vicinity of the current collectors. Indeed, the electro-osmotic flow causes a leaching of the cathode and even if the HPA are strongly adsorbed on the surface of the collectors, in the long run, they dissolve and the efficiency of the cell is degraded. The invention overcomes this problem through a manufacturing method described below.
Il est entendu que l'invention porte également sur l'utilisation des HPA adsorbés à la surface de nanoparticules métalliques non-noble tel que le titane.It is understood that the invention also relates to the use of HPA adsorbed on the surface of non-noble metal nanoparticles such as titanium.
L'invention propose d'autres composés exempts de métaux nobles qui catalysent la réduction des protons en hydrogène.The invention provides other compounds free of noble metals that catalyze the reduction of protons to hydrogen.
Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit catalyseur utilisé pour la réduction des protons en hydrogène pourra être un composé appartenant à la famille des oximes métalliques stables en milieu aqueux. Avantageusement, ladite famille des oximes métalliques comprend les complexe clathrochélates de formule I :According to one embodiment of the invention, said catalyst used for the reduction of hydrogen protons may be a compound belonging to the family of stable metal oximes in an aqueous medium. Advantageously, said family of metal oximes comprises the clathrochelate complexes of formula I:
Figure imgf000008_0001
ledit complexe clathrochélate comprenant : - un centre métallique M de la première série des éléments de transition de la classification périodique des éléments
Figure imgf000008_0001
said clathrochelate complex comprising: - a metal center M of the first series of transition elements of the periodic table of elements
- trois ligands glyoximate autour dudit centre métallique M chacun desdits ligands glyoximate étant substitué par un radical R1, R2, R3, R4, R5, ou R6 , chaque radical R1, R2, R3, R4, R5, ou R6 étant indépendamment un groupe alkyle ou phényle, substitué ou non.three glyoximate ligands around said metal center M, each of said glyoximate ligands being substituted with a radical R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , or R 6 , each radical R 1 , R 2 , R 3 , R 4; , R 5 , or R 6 being independently an alkyl or phenyl group, substituted or unsubstituted.
- un atome A appartenant aux éléments du groupe 13, ledit atome étant lié aux trois ligands gly oximes,an atom A belonging to the elements of group 13, the said atom being linked to the three glyoxime ligands,
- un radical X, ledit radical X étant un halogènure tel que notamment le fluor, ou un groupe alkyle, phényle, phényle fonctionnalisé avec un radical Y, Y étant un radical choisit dans le groupe constitué de NO2,a radical X, said radical X being a halogenide such as in particular fluorine, or an alkyl, phenyl or phenyl group functionalized with a radical Y, Y being a radical chosen from the group consisting of NO2,
F5 N2+, COOH5 COOEt, N3, CHO .F 5 N 2 +, COOH 5 COOEt, N 3, CHO.
Selon un mode de réalisation particulier, ledit centre métallique M est constitué de d'un métal de transition tel que :Co, Fe ou Ni. Selon un autre mode de réalisation particulier, ledit atome A appartenant aux éléments du groupe 13 est constitué de B ou de Al, ou, d'éléments de même famille chimique ou de propriétés similaires... Selon un mode de réalisation particulier, l'invention porte sur l'utilisation d'oximes métalliques stables en milieu aqueux, lesdites d'oximes métalliques stables en milieu aqueux étant préférentiellement :According to a particular embodiment, said metal center M consists of a transition metal such as: Co, Fe or Ni. According to another particular embodiment, said atom A belonging to the elements of group 13 consists of B or Al, or elements of the same chemical family or similar properties ... According to one particular embodiment, the invention relates to the use of stable metal oximes in an aqueous medium, said aqueous stable oximes in an aqueous medium being preferentially:
• le cobalt(III) dimethylglyoxime Co(dmgBF2)2+, ou • le cobalt(III) diphenylglyoxime Co(dρgBF2)2+ Cobalt (III) dimethylglyoxime Co (dmgBF 2 ) 2+ , or cobalt (III) diphenylglyoxime Co (dρgBF 2 ) 2+
Les conditions très oxydantes qui prévalent aux anodes des électrolyseurs rendent difficile l'utilisation de ces catalyseurs exempts de métaux précieux sur de longues durées pour remplacer l'Iridium. L'invention propose d'utiliser des HPA comportant des métaux précieux, qui permettent de réduire la quantité de métal précieux utilisé, tels que :The highly oxidizing conditions prevailing at the anodes of electrolysers make it difficult to use these precious metal-free catalysts for long periods of time to replace Iridium. The invention proposes to use HPAs comprising precious metals, which make it possible to reduce the quantity of precious metal used, such as:
• Un HPA à base de Platine, par exemple de formule abrégée α2- K8PtP2W17O61, • Un HPA à base de Palladium, par exemple de formule abrégée O2-K8PdP2W17O6I,• A HPA based on platinum, e.g. shorthand α 2 - K 8 PtP 2 W 17 O 61 • A HPA based on palladium, e.g. abbreviated formula O 2 -K 8 PoP 2 W 17 O 6 I ,
• Un HPA à base d'iridium, par exemple de formule abrégée α2- K8IrP2W17O61.An iridium-based HPA, for example of the abbreviated formula α2-K8IrP2W17O61.
L'invention propose également d'utiliser :The invention also proposes to use:
• des composés moléculaires à base de Ruthénium stables en milieu aqueux tels que : cis,cis-[(bpy)2(H2O)RumORum(OH2)(bpy)2]4+ cis,cis-[(phen)2(H2O)RuπiORum(OH2)(phen)2]4+ • des composés moléculaires à base de Manganèse tels que : tMn2O2(bipy)4](ClO4)3 [Mn2O2(phen)4](ClO4)3 • aqueous stable Ruthenium-based molecular compounds such as: cis, cis - [(bpy) 2 (H 2 O) Ru m ORu m (OH 2 ) (bpy) 2 ] 4+ cis, cis - [( phen) 2 (H 2 O) Ru πi ORu m (OH 2 ) (phen) 2 ] 4+ • Manganese-based molecular compounds such as: tMn 2 O 2 (bipy) 4] (ClO 4 ) 3 [Mn 2 O 2 (phen) 4 ] (ClO 4 ) 3
L'invention propose également d'utiliser des nanoparticules d'Iridium et/ou de Ruthénium ou de leurs oxydes, qui permettent également de réduire la quantité de métal précieux utilisé. Les anodes et cathodes pourront être obtenues :The invention also proposes using nanoparticles of Iridium and / or Ruthenium or their oxides, which also make it possible to reduce the quantity of precious metal used. The anodes and cathodes can be obtained:
• soit en déposant directement le catalyseur à la surface du collecteur de courant, par exemple en titane poreux,Or by depositing the catalyst directly on the surface of the current collector, for example made of porous titanium,
• soit en déposant sur le collecteur de courant un support à grande surface spécifique sur lequel on aura au préalable adsorbé le catalyseur.Or by depositing on the current collector a support with a large specific surface on which the catalyst will have been previously adsorbed.
Par exemple, du côté cathodique, l'invention propose comme matériau support une poudre de carbone, tel que le Vulcan XC72 de la société Cabot Co (surface spécifique 250 m2/g) ou une poudre de nanotubes de carbone.For example, on the cathodic side, the invention proposes as support material a carbon powder, such as Vulcan XC72 from Cabot Co (surface area 250 m 2 / g) or a carbon nanotube powder.
Pour diminuer les teneurs en métaux précieux, l'invention propose comme matériau un support à grande surface spécifique des nanoparticules d'oxyde de Titane sous-stœchiométrique de formule générale TiO2.x. Alors que l'oxyde de titane est un semi-conducteur, le fait de le réduire partiellement, par exemple par de l'hydrogène, le rend conducteur électronique. Par ailleurs il peut être obtenu sous forme de poudre nanométrique et il est relativement bon marché. L'invention propose par exemple d'adsorber des nanoparticules d'Iridium ou de Ruthénium (ou de leurs oxydes) sur TiO2.x.In order to reduce the precious metal contents, the invention proposes as a material a support with a large specific surface area of the nanoparticles of titanium oxide below stoichiometric of general formula TiO 2 . x . While titanium oxide is a semiconductor, the fact of partially reducing it, for example by hydrogen, makes it an electronic conductor. Moreover, it can be obtained in the form of a nanometric powder and is relatively cheap. The invention proposes, for example, adsorbing iridium or ruthenium nanoparticles (or their oxides) on TiO 2 . x .
L'invention propose également un procédé de fabrication d'une cellule électrochimique à électrolyte solide comportant une membrane polymère, une anode et une cathode et au moins un catalyseur entre la membrane et la cathode.The invention also proposes a method for manufacturing a solid electrolyte electrochemical cell comprising a polymer membrane, an anode and a cathode and at least one catalyst between the membrane and the cathode.
Les collecteurs de courant, par exemple en titane poreux, sont préalablement décapés de leurs oxydes superficiels, dégraissées et séchées. Le catalyseur est ensuite solubilisé dans un solvant, par exemple de l'isopropanol.The current collectors, for example porous titanium, are previously stripped of their surface oxides, degreased and dried. The catalyst is then solubilized in a solvent, for example isopropanol.
Le mélange est pulvérisé grâce à un pulvérisateur à air comprimé sur une face d'électrode maintenue à une température d'environ 1000C degrés de façon à provoquer l'évaporation du solvant et à éviter que le catalyseur n'aille se déposer à l'intérieur du collecteur en titane poreux.The mixture is sprayed by means of an air-blast sprayer on an electrode face maintained at a temperature of about 100 ° C. in order to evaporation of the solvent and to prevent the catalyst from settling inside the porous titanium collector.
Un film polymère, par exemple de Nafion, est ensuite pulvérisé par la même méthode sur la face de l'électrode ayant reçu le catalyseur et l'électrode est séchée à une température d'environ 1000C degrés de façon à provoquer l'évaporation du solvant. Il est important que l'épaisseur du film polymère ne soit pas trop importante pour obtenir une bonne réponse électrochimique. Pour contrôler l'épaisseur du film, il convient de diluer les solutions commerciales dans un solvant tel l'isopropanol, d'un facteur 10 à 1000. Les films donnant les meilleurs résultats ont une épaisseur d'environ 100 micromètres.A polymer film, for example of Nafion, is then sprayed by the same method on the face of the electrode which has received the catalyst and the electrode is dried at a temperature of about 100 ° C. in order to cause evaporation. solvent. It is important that the thickness of the polymer film is not too great to obtain a good electrochemical response. To control the thickness of the film, the commercial solutions should be diluted in a solvent such as isopropanol by a factor of 10 to 1000. The films giving the best results have a thickness of about 100 microns.
L'électrode ainsi obtenue est ensuite placée dans une cellule électrochimique à trois électrodes pour activation. Elle peut être activée par voltamétrie cyclique entre 0 et - 750 mV/ECS, sous dégagement d'hydrogène dans une solution acide de concentration 10"2M à 1 M, avec une vitesse de balayage d'environ 5 mV/s. Au bout de quelques heures, l'activité est maximale.The electrode thus obtained is then placed in an electrochemical cell with three electrodes for activation. It can be activated by cyclic voltammetry between 0 and -750 mV / ECS, under evolution of hydrogen in an acid solution of concentration 10 -2 M to 1 M, with a scanning speed of about 5 mV / s. a few hours, the activity is maximum.
La cathode est alors pressée contre une membrane polymère de type perfluoro- sulfonée, par exemple Nafion ou Hyflon, dans un support adapté en Titane. On fait circuler de l'eau chaude dans la cellule, environ 950C, pendant une heure. On fait ensuite passer un courant faible, inférieur à 100 mA/cm2, pendant environ 2 heures.The cathode is then pressed against a perfluorosulfonated polymer membrane, for example Nafion or Hyflon, in a suitable Titanium support. Hot water is circulated in the cell, approximately 95 ° C., for one hour. A low current, less than 100 mA / cm 2 , is then passed for about 2 hours.
Enfin, on termine la préparation en soumettant la cellule à une tension constante d'environ 2 Volt pendant environ 12 heures. A la fin, l'électrode est solidaire de la membrane par imbrication des chaînes polymères du film dans la membrane. La bonne adhérence produit les meilleures performances en électrolyse. Le procédé décrit plus haut est applicable aussi bien pour la cathode que pour l'anode.Finally, the preparation is terminated by subjecting the cell to a constant voltage of about 2 volts for about 12 hours. At the end, the electrode is secured to the membrane by interleaving the polymer chains of the film in the membrane. Good adhesion produces the best performance in electrolysis. The process described above is applicable for both the cathode and the anode.
Alternativement, l'invention propose, que ledit un support à grande surface spécifique soit notamment constitué de poudre de carbone pour la cathode ou du TiO2-x pour l'anode, ledit support à grande surface spécifique étant dispersé dans une solution de catalyseur (dans les proportions 1-1 % en volume) en utilisant un bac à ultra-sons pour assurer une bonne dispersion, de pulvériser la préparation sur le collecteur de courant, puis de déposer un film polymère protecteur.Alternatively, the invention proposes that said support having a large specific surface area consists in particular of carbon powder for the cathode or TiO 2-x for the anode, said high surface area support being dispersed in a catalyst solution (in proportions 1-1% by volume) using an ultrasonic tank to ensure good dispersion, to spray the preparation on the current collector, and then to deposit a protective polymer film.
Alternativement, l'invention propose de pulvériser sur le collecteur de courant, en une seule étape, un mélange substrat + catalyseur + solution de polymère.Alternatively, the invention proposes to spray on the current collector, in a single step, a mixture of substrate + catalyst + polymer solution.
Les HPA présentent également une activité vis-à-vis de l'oxydation de l'hydrogène en protons. Ils peuvent donc être utilisés dans les anodes des piles à combustibles à électrolyte solide. Les nanoparticules de platine dispersées sur le support à grande surface spécifique comme le carbone ont une grande activité vis-à-vis de la réduction de l'oxygène en eau. La cellule électrochimique innovante décrite plus haut peut donc être utilisée dans un fonctionnement en pile à combustible, à condition que les collecteurs de courant (en titane poreux) soient remplacés par des électrodes à diffusion de gaz hydrophobes, telles que celles utilisés dans l'état de l'art.HPAs also exhibit activity against the oxidation of hydrogen to protons. They can therefore be used in the anodes of solid electrolyte fuel cells. The platinum nanoparticles dispersed on the high surface area support such as carbon have a high activity with respect to the reduction of oxygen in water. The innovative electrochemical cell described above can therefore be used in fuel cell operation, provided that the current collectors (made of porous titanium) are replaced by hydrophobic gas diffusion electrodes, such as those used in the state. art.
Puisque la cellule innovante peut fonctionner en mode électrolyseur et en mode pile à combustible, elle peut également être utilisée pour fonctionner en mode réversible, c'est-à-dire tantôt en mode électrolyseur, tantôt en mode pile à combustible. Les performances de tels systèmes réversibles sont optimales lorsque les catalyseurs sont spécialisés par type de processus redox plutôt que par type de gaz. Ainsi, un compartiment sert aux processus de réduction (réduction des protons en hydrogène en mode électrolyseur et réduction de l'oxygène en mode pile à combustible), et un autre aux processus d'oxydation (oxydation de l'eau en oxygène en mode électrolyseur et oxydation de l'hydrogène en protons en mode pile à combustible). Dans ce cas, il est nécessaire d'utiliser des combinaisons de catalyseurs sur chacune des deux électrodes.Since the innovative cell can operate in electrolyser mode and in fuel cell mode, it can also be used to operate in reversible mode, that is to say sometimes in electrolyser mode, sometimes in fuel cell mode. The performance of such reversible systems is optimal when the catalysts are specialized by type of redox process rather than by type of gas. Thus, a compartment is used for reduction processes (reduction of hydrogen protons in electrolyser mode and reduction of oxygen in fuel cell mode), and another to oxidation processes (oxidation of water to oxygen in electrolyser mode and oxidation of hydrogen to protons in fuel cell mode). In this case, it is necessary to use catalyst combinations on each of the two electrodes.
Un mode particulier de préparation de la membrane et des électrodes selon l'invention est fourni ci après à titre d'exemple non limitatif.A particular mode of preparation of the membrane and the electrodes according to the invention is provided below by way of non-limiting example.
ETAPE 1 : Préparation de la membraneSTEP 1: Preparation of the membrane
Une membrane de Nafion® (du Pont de Nemours) de 140mm d'épaisseur est placée dans une solution aqueuse (400 mL, eau distillée) de HNO3 (10 %W) puis chauffée à 1000C pendant 30 min (y compris montée en T0C). Elle est ensuite rincée dans des bains d'eau distillée chaude (400 mL, 10 min) puis à température ambiante. Le rinçage se termine par de multiples lavages rapides à l'eau.A membrane of Nafion ® (Pont de Nemours) 140mm thick is placed in an aqueous solution (400 mL, distilled water) HNO3 (10% W) and then heated at 100 0 C for 30 min (including rise in T 0 C). It is then rinsed in hot distilled water (400 mL, 10 min) and then at ambient temperature baths. The rinse ends with multiple quick washings with water.
ETAPE 2 : Préparation des électrodesSTEP 2: Preparation of the electrodes
Matériel nécessaire d'un mode de réalisation particulier selon l'invention :Necessary material of a particular embodiment according to the invention:
• L'anode et la cathode consistent en des disques de Ti poreux dont les caractéristiques sont les suivantes : 7cm de surface, 3cm de diamètre, 0.85mm d'épaisseur, et une porosité de 25-28%. L'expérimentateur prendra soin d'éviter tout contact des faces avec une source potentiellement contaminante, (et notamment d'éviter le contact avec les doigts, la plaque de chauffe ou de la balance ; d'utiliser du papier machine propre comme support et de toujours saisir une électrode avec des pinces sur la tranche).• The anode and cathode consist of porous Ti disks with the following characteristics: 7cm in area, 3cm in diameter, 0.85mm in thickness, and a porosity of 25-28%. The experimenter shall take care to avoid any contact of the faces with a potentially contaminating source, (and in particular to avoid contact with the fingers, the heating plate or the balance, to use clean machine paper as a support and to always grasp an electrode with pliers on the edge).
Les catalyseurs : le catalyseur anodique utilisé est de l'Iridium ; le catalyseur cathodique est un complexe colbalt-oxime. Le catalyseur cathodique de référence est du platine adsorbé sur du charbon activé (Pt/c). Solution de Nafîon: 6.5% de Nafion® (du Pont de Nemours) dans l'isopropanol (iPrOH).Catalysts: the anodic catalyst used is Iridium; the cathode catalyst is a colbalt-oxime complex. The reference cathode catalyst is platinum adsorbed on activated carbon (Pt / c). Nafion solution: 6.5% Nafion ® (DuPont de Nemours) in isopropanol (iPrOH).
Quantité final de catalyseur par unité de surface (charge en catalyseur exprimée en mg/cm2): la charge finale est de 2.5 mg/cm2 de catalyseur sachant que le Nafion® doit constituer 5% en masse de la couche catalytique. Soit, pour une surface de7cm2 : ajouter 17.5mg de catalyseur à 0.9 mg de solution de Nafion à 6.5% pour obtenir un poids total de 18.4 mg.Final amount of catalyst per unit area (catalyst load expressed in mg / cm 2): the final load is 2.5 mg / cm 2 of catalyst knowing that Nafion ® must constitute 5% by weight of the catalytic layer. For a surface of 7 cm 2: add 17.5 mg of catalyst to 0.9 mg of Nafion solution at 6.5% to obtain a total weight of 18.4 mg.
• Vaporisation du catalyseur : Le catalyseur est déposé à la surface de l'électrode par vaporisation sous pression à l'aide d'un pistolet à air comprimé.• Vaporization of the catalyst: The catalyst is deposited on the surface of the electrode by vaporization under pressure using a compressed air gun.
Protocole expérimental :Experimental protocol :
Pesée des disques de Ti nuWeighing of bare Ti disks
La pesée des disques de Ti nu est réalisée en chauffant une plaque à 1000C sur laquelle sont déposés les disques de Ti afin d'évaporer tout solvant résiduel (eau notamment). Lorsque la pesée demeure constante au cours de plusieurs pesées successives, la masse des disques on note.The weighing of the bare Ti discs is carried out by heating a plate at 100 ° C. on which the Ti discs are deposited in order to evaporate any residual solvent (water in particular). When the weighing remains constant during several successive weighings, the mass of the discs is noted.
Pesée des catalyseurs et du Nafion® et préparation de la solution à vaporiserWeighing catalysts and Nafion ® and preparing the spray solution
• Pour une électrode cathodique de référence : deux fois plus de platine adsorbé sur du charbon activé (Pt/c) ou trois fois plus d'iridium que de catalyseur et de solution de Nafion à 6.5% seront nécessaires du fait de la perte de matière significative au cours de la vaporisation. Le rapport de la masse de catalyseur par rapport à celle de de la solution de Nafion à 6.5% est le suivant :mCAτ / niNafion = 1.235, où mCAτ est la masse de catalyseur, et mNafion est la masse de la solution de Nafion à 6.5%. • Pour une électrode cathodique comprenant un complexe cobalt-oxime selon l'invention : mélanger 50%en poids de noir de carbone et 50% en poids de complexe de cobalt-oxime.• For a reference cathode electrode: twice as much platinum adsorbed on activated charcoal (Pt / c) or three times more iridium than catalyst and 6.5% Nafion solution will be required due to loss of material significant during the vaporization. The ratio of the mass of catalyst in relation to that of the Nafion solution 6.5% is as follows: m C Aτ / Nina f io n = 1.235, wherein m C Aτ is the mass of catalyst, and mNafion is the mass of the Nafion solution at 6.5%. For a cathode electrode comprising a cobalt oxime complex according to the invention: mix 50% by weight of carbon black and 50% by weight of cobalt oxime complex.
• La solution de Nafion à 6.5% nécessaire est préalablement pesée. Dans le cas de l'électrode cathodique de référence la pesée est de 28 à 43 mg [c'est-à- dire : 2σu3xl7.5/1.235]. La quantité de solution de Nafion à 6.5% ainsi obtenue est la diluée dans un peu d'isopropanol. • La quantité de catalyseur correspondante est ensuite pesée en respectant certaines précautions, en particulier pour du platine adsorbé sur du charbon activé (Pt/c), il est nécessaire juste après la pesée de verser quelques gouttes d'eau à la poudre pour éviter qu'elle ne réagisse à l'ajout d'iPrOH. « La solution de Nation est versée dans le pilulier du catalyseur, puis de TiPrOH est rajouté si nécessaire. Le mélange catalyseur + Nafion ainsi obtenu est soumis aux ultrasons (ici sonde à ultrasons) pour disperser jusqu'à obtenir une suspension homogène.• The necessary 6.5% Nafion solution is pre-weighed. In the case of the reference cathode electrode the weighing is 28 to 43 mg [i.e. 2σu3xl7.5 / 1.235]. The amount of 6.5% Nafion solution thus obtained is diluted in a little isopropanol. • The corresponding amount of catalyst is then weighed by observing certain precautions, in particular for platinum adsorbed on activated charcoal (Pt / c), it is necessary just after the weighing to pour a few drops of water to the powder to avoid that it does not react to the addition of iPrOH. "The Nation solution is poured into the pillbox of the catalyst, then TiPrOH is added if necessary. The catalyst + Nafion mixture thus obtained is subjected to ultrasound (here ultrasonic probe) to disperse until a homogeneous suspension.
Afin de vérifier que ladite suspension homogène est obtenue, le test suivant est mis en oeuvre: le contenu du pilulier est versé dans un autre récipient il ne doit plus reste de dépôt solide au fond ou très peu. Mise en place de la couche catalytique sur l'électrodeIn order to verify that said homogeneous suspension is obtained, the following test is carried out: the contents of the pill pillar are poured into another receptacle so that no solid deposit remains at the bottom or very little. Placing the catalytic layer on the electrode
• Les disques sont placés à nouveau sur la plaque chauffante à 1000C. Ainsi, le maintien des disques à cette température permet l'évaporation quasi- immédiate du solvant lorsque la solution est vaporisée sur l'électrode (ceci afin de limiter fortement la pénétration au sein du Ti poreux).• The disks are placed again on the heating plate at 100 ° C. Thus, the maintenance of the disks at this temperature allows the quasi-immediate evaporation of the solvent when the solution is vaporized on the electrode (this in order to strongly limit the penetration within the porous Ti).
• La moitié ou le tiers de la solution du mélange catalyseur + Nafion est versé dans le réservoir du pistolet à air comprimé pour être vaporisé sur l'ensemble du disque de façon aussi homogène. que possible (mouvement concentrique à ~10cm de la plaque à débit moyen). Entre chaque spray, on laisse s'évaporer quelques secondes.• Half or one third of the solution of the catalyst + Nafion mixture is poured into the tank of the air pistol to be sprayed over the entire disc as homogeneously. as possible (concentric movement ~ 10cm from the medium flow plate). Between each spray, let it evaporate a few seconds.
• Après vaporisation de cette première partie de la solution initiale l'échantillon est pesé.• After vaporization of this first part of the initial solution the sample is weighed.
Si la charge en catalyseur est suffisante, la vaporisation est terminée. Dans le cas contraire (probable), le reste de la solution avec re-diluée dans PiPrOH est soniquée, et à nouveau versée pour moitié dans le réservoir du pistolet à airIf the catalyst load is sufficient, the vaporization is complete. In the opposite case (probable), the rest of the solution with re-diluted in PiPrOH is sonicated, and again half poured into the tank of the air pistol
• comprimé, pour être une seconde fois vaporisée, etc .. On réitère cette opération jusqu'à ce que la charge finale souhaitée en catalyseur soit atteinte.• compressed, to be a second time vaporized, etc. This operation is repeated until the desired final catalyst load is reached.
Des modes d'exécution de l'invention seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 représente schématiquement la coupe une cellule d'hydrolyse à membrane,Embodiments of the invention will be described below, by way of non-limiting examples, with reference to the accompanying drawings in which: FIG. 1 is a diagrammatic sectional view of a membrane hydrolysis cell,
Les figures 2 et 3 représentent des courbes Voltage x Densité de courant obtenues avec des catalyseurs différents.Figures 2 and 3 show Voltage x current density curves obtained with different catalysts.
Sur la figure 1 on distingue une membrane polymère 1, par exemple en Nation ou Hyflon, une cathode 2 et une anode 3 appliquées contre la membrane I5 en métal poreux pour permettre le dégagement des gaz H2 et 02, par exemple en Titane poreux. La cellule est alimentée par une source de courant continu 4. La cellule est alimentée en eau purifiée au niveau de la cathode 2 et de l'anode 3.In Figure 1 there is a polymer membrane 1, for example Nation or Hyflon, a cathode 2 and anode 3 applied against the membrane I 5 porous metal to allow the release of gases H2 and 02, for example porous titanium. The cell is powered by a DC source 4. The cell is supplied with purified water at the cathode 2 and the anode 3.
Entre la cathode 2 (respectivement l'anode 3) et la membrane 1 on distingue une couche d'un premier catalyseur 5b (respectivement second catalyseur 5a). Ces catalyseurs peuvent avoir été déposés directement sur la cathode ou sur l'anode, mais ils ont été de préférence au préalable adsorbés sur un matériau à grande surface spécifique, tel que des nanoparticules d'étain du côté anode. Dans l'état de l'art, le premier catalyseur 5b est constitué de particules de Platine et le second catalyseur 5a de particules d'Iridium.Between the cathode 2 (respectively the anode 3) and the membrane 1 there is a layer of a first catalyst 5b (respectively second catalyst 5a). These catalysts may have been deposited directly on the cathode or on the anode, but they have preferably been adsorbed beforehand on a material with a large specific surface area, such as tin nanoparticles on the anode side. In the state of the art, the first catalyst 5b consists of platinum particles and the second catalyst 5a of Iridium particles.
La figure 2 illustre l'effet catalytique du Platine à la cathode et de l'Iridium à l'anode. Les lois de la thermodynamique indiquent que le voltage minimum à appliquer à une cellule d'électrolyse de l'eau fonctionnant à 25°C est de 1,23 V, ceci quelle que soit la densité de courant. A cause des résistances induites notamment par la membrane et par les électrodes, d'une part le voltage à appliquer pour le démarrage de la réaction est légèrement plus élevé (1,4 V au minimum), d'autre part il faut augmenter le voltage appliqué si on veut augmenter la densité de courant. Néanmoins la cellule sera d'autant plus performante que l'on obtiendra une densité de courant plus élevée pour un voltage donné. Les courbes de la figure 2 sont obtenues avec une membrane Nafion 115 et des électrodes en Titane et avec les catalyseurs suivants : - courbe 1 : dépôt de carbone à la cathode et dépôt d'Iridium à l'anode (le carbone montre un léger effet catalyseur),Figure 2 illustrates the catalytic effect of Platinum at the cathode and Iridium at the anode. The laws of thermodynamics indicate that the minimum voltage to be applied to a water electrolysis cell operating at 25 ° C is 1.23 V, regardless of the current density. Because of the resistances induced in particular by the membrane and the electrodes, on the one hand the voltage to be applied for the start of the reaction is slightly higher (1.4 V minimum), on the other hand it is necessary to increase the voltage applied if we want to increase the current density. Nevertheless the cell will be all the more efficient that will obtain a higher current density for a given voltage. The curves of FIG. 2 are obtained with a Nafion membrane 115 and titanium electrodes and with the following catalysts: curve 1: deposit of carbon at the cathode and deposition of Iridium at the anode (the carbon shows a slight catalyst effect),
- courbe 2 : un cobalt - oxime Co(dpgBF2)2+ adsorbé sur carbone à la cathode et Iridium à l'anode, - courbe 3 : particules de Platine à la cathode et Iridium à l'anode.curve 2: cobalt-oxime Co (dpgBF 2 ) 2+ adsorbed on carbon at the cathode and Iridium at the anode, curve 3: particles of platinum at the cathode and iridium at the anode.
La courbe 1 est obtenue sans catalyseur à la cathode mais avec de l'Iridium à l'anode. On voit que la densité de courant augmente très lentement avec la tension appliquée à la cellule. La courbe 3 illustre l'état de l'art avec des catalyseurs à base de métaux précieux à la cathode et à l'anode. La courbe 2 illustre l'effet catalyseur d'un cobalt-oxime dans une cellule d'électrolyse à membrane PEM. Ainsi, une densité de courant de 250 mA/cm2) nécessite une tension d'environ 2,1 V sans catalyseur (courbe 1), 1,65 V avec un catalyseur HPA (courbe 2) et 1,56 V avec des catalyseurs Platine et Iridium. On n'obtient pas d'aussi fortes densités de courant avec un catalyseur cobalt-oxime mais son coût est beaucoup plus faible que le Platine qu'il remplace.Curve 1 is obtained without catalyst at the cathode but with Iridium at the anode. It can be seen that the current density increases very slowly with the voltage applied to the cell. Curve 3 illustrates the state of the art with precious metal catalysts at the cathode and at the anode. Curve 2 illustrates the catalyst effect of a cobalt oxime in a PEM membrane electrolysis cell. Thus, a current density of 250 mA / cm 2) requires a voltage of about 2.1 V without catalyst (curve 1), 1.65 V with an HPA catalyst (curve 2) and 1.56 V with platinum catalysts and Iridium. Such high current densities are not obtained with a cobalt oxime catalyst but its cost is much lower than the Platinum it replaces.
La figure 3 illustre les performances obtenues avec différents catalyseurs et une membrane Nafion 117. La courbe 1 est le résultat de l'état de l'art : catalyseur Platine à la cathode et Iridium à l'anode. La courbe 3 est un résultat obtenu avec du Platine aux deux électrodes : le Platine est un moins bon catalyseur anodique que l'Iridium. La courbe 2 illustre l'effet catalyseur du HPA : à la même température de 800C, les résultats sont intermédiaires entre ceux des courbes 1 et 3. Encore faut-il relever que ces résultats ont été obtenus sans matériau support à grande surface spécifique tel que du noir de carbone à la cathode, il s'agit donc de performances minimum.FIG. 3 illustrates the performances obtained with various catalysts and a Nafion 117. membrane. Curve 1 is the result of the state of the art: catalyst platinum at the cathode and iridium at the anode. Curve 3 is a result obtained with Platinum at both electrodes: Platinum is a less good anodic catalyst than Iridium. Curve 2 illustrates the catalytic effect of HPA: at the same temperature of 80 ° C., the results are intermediate between those of curves 1 and 3. It should be noted that these results were obtained without support material with a high specific surface area. such as carbon black at the cathode, so it's about minimum performance.
Les courbes 4 et 5 illustrent l'effet de la température : les performances de la cellule baissent avec la température tombe de 74 à 500C. Les résultats obtenus avec les différents HPA sont très proches. Curves 4 and 5 illustrate the effect of temperature: the cell's performance drops with the temperature falls from 74 to 50 ° C. The results obtained with the different HPA are very close.

Claims

Revendications claims
1. Cellule pour l'électrolyse de l'eau comportant une membrane polymère échangeuse de cations (1) sensiblement plane, deux électrodes (2, 3) situées respectivement de part et d'autre de ladite membrane (1), un catalyseur placé entre la membrane (1) et l'une des électrodes (2), caractérisée en ce que au moins une des électrodes est au moins recouverte d'une pellicule constituée d'un support à grande surface spécifique composé d'éléments présentant une taille micrométrique ou nanométrique pouvant notamment consister en des nanoobjets, nanostructures, nanotubes, nanoéléments, éléments sur chacun desquels est adsorbé ledit catalyseur.1. Cell for the electrolysis of water comprising a substantially planar polymeric cation exchange membrane (1), two electrodes (2, 3) located respectively on either side of said membrane (1), a catalyst placed between the membrane (1) and one of the electrodes (2), characterized in that at least one of the electrodes is at least covered with a film consisting of a high surface area support composed of elements having a micrometric size or nanoscale which can consist in particular of nanoobjects, nanostructures, nanotubes, nanoelements, elements on each of which is adsorbed said catalyst.
2. Cellule pour l'électrolyse de l'eau selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit catalyseur adsorbé sur lesdits d'éléments présentant une taille micrométrique ou nanométrique est le premier et/ou second catalyseur (5a, 5b).2. cell for the electrolysis of water according to claim 1, characterized in that said catalyst adsorbed on said elements having a micrometer or nanometer size is the first and / or second catalyst (5a, 5b).
3. Cellule pour l'électrolyse de l'eau selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit premier catalyseur (5b) comprend au moins un composé appartenant à au moins l'une des familles suivantes :3. Cell for the electrolysis of water according to one of claims 1 or 2, characterized in that said first catalyst (5b) comprises at least one compound belonging to at least one of the following families:
• Famille des hétéropolyacides (HPA) stables en milieu aqueux,• Family of heteropolyacids (HPA) stable in aqueous medium,
• Famille des oximes métalliques stables en milieu aqueux,• Family of stable metal oximes in an aqueous medium,
• Des nanoparticules de Platine.• Platinum nanoparticles.
4. Cellule pour l'électrolyse de l'eau selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit premier catalyseur (5b) de la famille des HPA comprend au moins un composé choisi dans la liste suivante :4. Cell for the electrolysis of water according to claim 3, characterized in that said first catalyst (5b) of the family of HPA comprises at least one compound selected from the following list:
• Un HPA de la famille SiWi2,• An HPA of the SiWi 2 family,
• Un HPA de la famille PWi2, • Un HPA de la famille PMOi2,• An HPA of the PWi 2 family, • An HPA of the PMOi 2 family,
• Un HPA de la famille P2Wi8, • Un HPA à base de Platine,• An HPA of the P 2 Wi 8 family , • Platinum based HPA,
• Un HPA à base de Palladium,• Palladium-based HPA,
• Un HPA à base d'Iridium.• An HPA based on Iridium.
5. Cellule pour l'électrolyse de l'eau selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit premier catalyseur (5b) de la famille des oximes métalliques comprend un complexe clathrochélate de formule I :5. cell for the electrolysis of water according to claim 3, characterized in that said first catalyst (5b) of the family of metal oximes comprises a clathrochelate complex of formula I:
Figure imgf000019_0001
ledit complexe clathrochélate comprenant : - un centre métallique M de la première série des éléments de transition de la classification périodique des éléments
Figure imgf000019_0001
said clathrochelate complex comprising: - a metal center M of the first series of transition elements of the periodic table of elements
- trois ligands glyoximate autour dudit centre métallique M chacun desdits ligands glyoximate étant substitué par un radical Rl, R2, R3, R4, R5, ou R6 , chaque radical Rl, R2, R3, R4, R5, ou R6 étant indépendamment un groupe alkyle ou phényle.three glyoximate ligands around said metal center M, each of said glyoximate ligands being substituted by a radical R1, R2, R3, R4, R5, or R6, each radical R1, R2, R3, R4, R5, or R6 being independently an alkyl group or phenyl.
- un atome A appartenant aux éléments du groupe 13, ledit atome étant lié aux trois ligands gly oximes,an atom A belonging to the elements of group 13, the said atom being linked to the three glyoxime ligands,
- un radical X, ledit radical X étant un halogènure tel que notamment le fluor, ou un groupe alkyle, phényle, phényle fonctionnalisé avec un radical Y, Y étant un radical choisit dans le groupe constitué de NO2,a radical X, said radical X being a halogenide such as in particular fluorine, or an alkyl, phenyl or phenyl group functionalized with a radical Y, Y being a radical chosen from the group consisting of NO2,
F, N2+, COOH5 COOEt5 N35 CHO.F, N 2 +, COOH 5 COOEt 5 N 3 CHO.
6. Cellule pour l'électrolyse de l'eau selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit centre métallique M est constitué d'un métal de transition tel que Co, Fe ou Ni.Cell for electrolysis of water according to claim 5, characterized in that said metal center M is made of a transition metal such as Co, Fe or Ni.
7. Cellule pour Pélectrolyse de l'eau selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que ledit ledit atome A appartenant aux éléments du groupe7. Cell for the electrolysis of water according to one of claims 5 or 6, characterized in that said atom A belonging to the elements of the group
13 est constitué de B ou de Al, ou, d'éléments de même famille chimique ou de propriétés similaires13 consists of B or Al, or elements of the same chemical family or similar properties
8. Cellule pour l'électrolyse de l'eau selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit premier catalyseur (5b) de la famille des oximes métalliques comprend au moins un composé choisi dans le groupe constitué du :8. cell for the electrolysis of water according to claim 5, characterized in that said first catalyst (5b) of the family of metal oximes comprises at least one compound selected from the group consisting of:
- Cobalt diméthyl glyoxime de formule abrégée Co(dmgBF2)2+, ou- Cobalt dimethyl glyoxime of abbreviated formula Co (dmgBF2) 2+ , or
- Cobalt diphényl glyoxime de formule abrégée Co(dpgBF2)?+.- Cobalt diphenyl glyoxime of abbreviated formula Co (dpgBF2) ? + .
9. Cellule pour l'électrolyse de l'eau selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ledit second catalyseur (5a) comprend au moins un composé choisi dans la liste suivante :9. Cell for the electrolysis of water according to one of claims 1 to 8, characterized in that said second catalyst (5a) comprises at least one compound selected from the following list:
• Un HPA à base de Platine, • Un HPA à base de Palladium,• Platinum-based HPA, • Palladium-based HPA,
• Un HPA à base d'Iridium,• An HPA based on Iridium,
• Un composé moléculaire du Ruthénium stable en milieu aqueux,• A stable ruthenium molecular compound in an aqueous medium,
• Des nanoparticules d'oxyde de Ruthénium,• nanoparticles of Ruthenium oxide,
• Un composé moléculaire à base de Manganèse.• A molecular compound based on Manganese.
10. Cellule pour l'électrolyse de l'eau selon la revendication 9, caractérisée en ce que ledit support à grande surface spécifique côté cathode (2) est une poudre de carbone ou des nanotubes de carbone.10. cell for the electrolysis of water according to claim 9, characterized in that said support with a large surface area on the cathode side (2) is a carbon powder or carbon nanotubes.
11. Cellule pour l'électrolyse de l'eau selon la revendication 9, caractérisée en ce que ledit support à grande surface spécifique côté anode (3) est un composé choisi dans la liste suivante :11. Cell for the electrolysis of water according to claim 9, characterized in that said high anode-type surface-area support (3) is a compound selected from the following list:
• Des nanoparticules d'oxyde de Titane sous stœchiométrique,• Titanium oxide nanoparticles under stoichiometric conditions,
• Des nanoparticules d'oxyde d'Etain.• Nanoparticles of tin oxide.
12. Electrolyseur caractérisé en ce qu'il comprend un empilement de cellules pour Pélectrolyse de l'eau selon l'une quelconque des revendications précédentes.12. Electrolyser characterized in that it comprises a stack of cells for the electrolysis of water according to any one of the preceding claims.
13. Procédé pour la préparation d'une cellule pour l'électrolyse de l'eau comportant une membrane polymère échangeuse de cations (1) sensiblement plane, deux électrodes (2, 3) situées respectivement de part et d'autre de ladite membrane (1), comportant au moins un premier catalyseur (5b) de la réduction des protons en hydrogène moléculaire placé entre la membrane (1) et la cathode (2), ledit premier catalyseur (5b) comprenant au moins un composé appartenant à au moins l'une des familles suivantes :13. Process for the preparation of a cell for the electrolysis of water comprising a substantially planar polymeric cation exchange membrane (1), two electrodes (2, 3) located respectively on either side of said membrane ( 1), comprising at least a first catalyst (5b) for proton reduction in molecular hydrogen placed between the membrane (1) and the cathode (2), said first catalyst (5b) comprising at least one compound belonging to at least one one of the following families:
• Famille des hétéropolyacides (HPA) stables en milieu aqueux,• Family of heteropolyacids (HPA) stable in aqueous medium,
• Famille des oximes métalliques stables en milieu aqueux,• Family of stable metal oximes in an aqueous medium,
• Des nanoparticules de Platine, ledit procédé comportant les étapes consistant à :Platinum nanoparticles, said process comprising the steps of:
• Solubiliser le catalyseur dans un solvant,• Solubilize the catalyst in a solvent,
• Pulvériser le mélange sur une face d'électrode (2, 3) en chauffant ladite électrode,• Spray the mixture on an electrode face (2, 3) by heating said electrode,
• Pulvériser un film polymère sur ladite face de l'électrode (2, 3) ayant reçu le catalyseur en chauffant ladite électrode.• Spray a polymer film on said face of the electrode (2, 3) having received the catalyst by heating said electrode.
14. Procédé selon la revendication 13 comportant en outre l'étape consistant en outre à disperser le support à grande surface spécifique dans la solution contenant ledit catalyseur, avant pulvérisation, de façon à adsorber ledit catalyseur à la surface dudit support à grande surface spécifique. The method of claim 13 further comprising the step of further dispersing the high surface area carrier in the solution containing said catalyst, prior to spraying, so as to adsorb said catalyst to the surface of said high surface area carrier.
15. Procédé selon la revendication 13 ou 14 dans lequel le polymère est en outre solubilisé dans la solution contenant ledit catalyseur puis on pulvérise en une seule opération ladite solution sur une face d'électrode en chauffant ladite électrode.15. The method of claim 13 or 14 wherein the polymer is further solubilized in the solution containing said catalyst and then sprayed in one operation said solution on an electrode face by heating said electrode.
16. Procédé selon l'une des revendications 13 à 14 comportant en outre une étape ultérieure d'activation de ladite électrode par voltamétrie cyclique.16. Method according to one of claims 13 to 14 further comprising a subsequent step of activating said electrode by cyclic voltammetry.
17. Procédé selon l'une des revendications 13 à 16 comportant en outre les étapes ultérieures suivantes :17. Method according to one of claims 13 to 16 further comprising the following subsequent steps:
• Presser la face de l'électrode (2, 3) ayant reçu le catalyseur et le film polymère contre la membrane (1) de ladite cellule,• Press the face of the electrode (2, 3) which has received the catalyst and the polymer film against the membrane (1) of said cell,
• Faire circuler de l'eau chaude dans ladite cellule,• Circulate hot water in the cell,
• Faire passer un courant faible dans ladite cellule, • Soumettre ladite cellule à une tension continue.• Pass a weak current in said cell, • Submit said cell to a DC voltage.
18. Utilisation dans une pile à combustibles d'une cellule comportant une membrane polymère échangeuse de cations (1) sensiblement plane, deux électrodes (2, 3) situées respectivement de part et d'autre de ladite membrane (1), un premier catalyseur (5b) de la réduction des protons en hydrogène moléculaire placé entre la membrane (1) et la cathode (2), ledit premier catalyseur (5b) comprenant au moins un composé appartenant à au moins l'une des familles suivantes :18. Use in a fuel cell of a cell comprising a substantially planar polymeric cation exchange membrane (1), two electrodes (2, 3) located respectively on either side of said membrane (1), a first catalyst (5b) of the proton reduction in molecular hydrogen placed between the membrane (1) and the cathode (2), said first catalyst (5b) comprising at least one compound belonging to at least one of the following families:
• Famille des hétéropolyacides (HPA) stables en milieu aqueux, • Famille des oximes métalliques stables en milieu aqueux,• Family of heteropolyacids (HPA) stable in aqueous medium, • Family of stable metal oximes in aqueous medium,
• Des nanoparticules de Platine.• Platinum nanoparticles.
19. Utilisation dans un système réversible électrolyseur - pile d'une cellule comportant une membrane polymère échangeuse de cations (1) sensiblement plane, deux électrodes (2, 3) situées respectivement de part et d'autre de ladite membrane (1), un premier catalyseur (5b) de la réduction des protons en hydrogène moléculaire placé entre la membrane (1) et la cathode (2), ledit premier catalyseur (5b) comprenant au moins un composé appartenant à au moins l'une des familles suivantes :19. Use in a reversible electrolyser-cell stack of a cell comprising a substantially planar polymeric cation exchange membrane (1), two electrodes (2, 3) located respectively on either side of said membrane (1), a first catalyst (5b) for the reduction of protons in molecular hydrogen placed between the membrane (1) and the cathode (2), said first catalyst (5b) comprising at least one compound belonging to at least one of the following families:
• Famille des hétéropolyacides (HPA) stables en milieu aqueux, • Famille des oximes métalliques stables en milieu aqueux,• Family of heteropolyacids (HPA) stable in aqueous medium, • Family of stable metal oximes in aqueous medium,
• Des nanoparticules de Platine. • Platinum nanoparticles.
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